半導(dǎo)體制造工藝

1、本章重點本章重點n摻雜的目的；摻雜的目的；n摻雜的方法；摻雜的方法；n恒定源擴(kuò)散；恒定源擴(kuò)散；n有限源擴(kuò)散；有限源擴(kuò)散；n摻雜：摻雜技術(shù)是在高溫條件下，將雜質(zhì)原子以一摻雜：摻雜技術(shù)是在高溫條件下，將雜質(zhì)原子以一定的可控量摻入到半導(dǎo)體中，以改變半導(dǎo)體硅片的定的可控量摻入到半導(dǎo)體中，以改變半導(dǎo)體硅片的導(dǎo)電類型或表面雜質(zhì)濃度。導(dǎo)電類型或表面雜質(zhì)濃度。 n形成形成PN結(jié)、電阻結(jié)、電阻n磷磷(P)、砷、砷(As) N型硅型硅n硼硼(B) P型硅型硅什么是摻雜什么是摻雜擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。高溫擴(kuò)散高溫擴(kuò)散：雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴(kuò)

2、散到硅：雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴(kuò)散到硅片的表面，這些雜質(zhì)濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)片的表面，這些雜質(zhì)濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)分布主要是由分布主要是由高溫高溫與與擴(kuò)散時間擴(kuò)散時間來決定。來決定。形成深結(jié)形成深結(jié)n擴(kuò)散工藝的優(yōu)越性：擴(kuò)散工藝的優(yōu)越性：（1）可以通過對溫度、時間等工藝條件的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，來控）可以通過對溫度、時間等工藝條件的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，來控 制制PN結(jié)面的深度和晶體管的基區(qū)寬度，并能獲得均勻平坦結(jié)面的深度和晶體管的基區(qū)寬度，并能獲得均勻平坦 的結(jié)面。的結(jié)面。（2）可以通過對擴(kuò)散工藝條件的調(diào)節(jié)與選擇，來控制擴(kuò)散）可以通過對擴(kuò)散工藝條件的調(diào)節(jié)與選擇，來控制擴(kuò)散 層

3、表面的雜質(zhì)濃度及其雜質(zhì)分布，以滿足不同器件的要求。層表面的雜質(zhì)濃度及其雜質(zhì)分布，以滿足不同器件的要求。（3）與氧化、光刻等技術(shù)相組合形成的硅平面工藝有利于改）與氧化、光刻等技術(shù)相組合形成的硅平面工藝有利于改 善晶體管和集成電路的性能。善晶體管和集成電路的性能。（4）重復(fù)性好，均勻性好，適合與大批量生產(chǎn)。）重復(fù)性好，均勻性好，適合與大批量生產(chǎn)。離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有個峰值分布，雜質(zhì)分內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有個峰值分布，雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。形成淺結(jié)形成淺結(jié)摻雜區(qū)摻

4、雜區(qū)n摻雜區(qū)的類型：相同或相反摻雜區(qū)的類型：相同或相反n結(jié)深：結(jié)深：硅片中硅片中p型雜質(zhì)與型雜質(zhì)與n型雜質(zhì)相遇的深度，用型雜質(zhì)相遇的深度，用Xj表示，深度等于結(jié)深的地方，電子與空穴的濃表示，深度等于結(jié)深的地方，電子與空穴的濃度相等。度相等。6.1 6.1 基本擴(kuò)散工藝基本擴(kuò)散工藝摻入方式有：氣相源；固相源；摻入方式有：氣相源；固相源；液相源液相源，其中液態(tài)，其中液態(tài)源最常用。源最常用。使用液相源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下：使用液相源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下：3225243 26POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走。在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走

5、。25225 45POSiPSiO影響擴(kuò)散參量的因素：影響擴(kuò)散參量的因素：POCl3的溫度、擴(kuò)散溫度、時間、氣的溫度、擴(kuò)散溫度、時間、氣體流量。體流量。電爐電爐O2N2液態(tài)雜質(zhì)源石英管排氣口硅晶片典型的開管擴(kuò)散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖典型的開管擴(kuò)散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6.1.1 6.1.1 擴(kuò)散方程式擴(kuò)散方程式半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視為在晶格中通過半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視為在晶格中通過空位或填隙空位或填隙原子形式進(jìn)行的原子移動。原子形式進(jìn)行的原子移動。 (1)替代式擴(kuò)散替代式擴(kuò)散替位原子的運動必須以其近鄰處有空位存在為前提。替位原子的運動必須以其近鄰處有空位存在為前提。移動速度較慢的雜質(zhì)，如半導(dǎo)體摻雜常用的砷、磷，通常移動速

6、度較慢的雜質(zhì)，如半導(dǎo)體摻雜常用的砷、磷，通常利用替代運動填充晶格中的空位。利用替代運動填充晶格中的空位。 (2)填隙式擴(kuò)散填隙式擴(kuò)散 擴(kuò)散流密度擴(kuò)散流密度F-單位時間內(nèi)通過單位面積的雜質(zhì)原子數(shù)；單位時間內(nèi)通過單位面積的雜質(zhì)原子數(shù)；C-單位體積的雜質(zhì)濃度；單位體積的雜質(zhì)濃度；D-擴(kuò)散系數(shù)或擴(kuò)散率；擴(kuò)散系數(shù)或擴(kuò)散率；擴(kuò)散驅(qū)動力是濃度梯度，雜質(zhì)原子從高濃度區(qū)流向低濃度擴(kuò)散驅(qū)動力是濃度梯度，雜質(zhì)原子從高濃度區(qū)流向低濃度區(qū)。區(qū)。CFDx 具有高擴(kuò)散率的雜質(zhì)，如金、銅、容易利用間隙運動在硅具有高擴(kuò)散率的雜質(zhì)，如金、銅、容易利用間隙運動在硅的晶格空隙中移動。的晶格空隙中移動。在一定的溫度范圍內(nèi)，在一定的溫度

7、范圍內(nèi)，D可表示為可表示為D0-溫度無窮大時的擴(kuò)散系數(shù)；溫度無窮大時的擴(kuò)散系數(shù)；Ea-激活能激活能;對填隙模型，對填隙模型，Ea是摻雜原子從一個間隙移動到至另一個間隙是摻雜原子從一個間隙移動到至另一個間隙所需的能量；所需的能量；對替代模型，對替代模型，Ea是雜質(zhì)原子移動所需能量和形成空位所需的是雜質(zhì)原子移動所需能量和形成空位所需的能量總和。能量總和。替代的替代的Ea較擴(kuò)散大較擴(kuò)散大)exp(0kTEDDa6.1.2 6.1.2 擴(kuò)散分布擴(kuò)散分布摻雜原子的擴(kuò)散分布與起始條件和邊界條件有關(guān)。摻雜原子的擴(kuò)散分布與起始條件和邊界條件有關(guān)。兩種方式：兩種方式：恒定表面濃度擴(kuò)散：雜質(zhì)原子由氣相源傳送到半導(dǎo)

8、恒定表面濃度擴(kuò)散：雜質(zhì)原子由氣相源傳送到半導(dǎo)體表面，然后擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體硅晶片，在擴(kuò)散期間，體表面，然后擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體硅晶片，在擴(kuò)散期間，氣相源維持恒定的表面濃度；氣相源維持恒定的表面濃度；有限源擴(kuò)散：指一定量的雜質(zhì)淀積在半導(dǎo)體表面，有限源擴(kuò)散：指一定量的雜質(zhì)淀積在半導(dǎo)體表面，接著擴(kuò)散進(jìn)入硅晶片內(nèi)。這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，不接著擴(kuò)散進(jìn)入硅晶片內(nèi)。這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，不再有新源補(bǔ)充。再有新源補(bǔ)充。恒定表面濃度擴(kuò)散恒定表面濃度擴(kuò)散 不能全寫公式不能全寫公式 t t為時間為時間t=0 t=0 摻雜濃度為摻雜濃度為0 0t0時初始條件是時初始條件是( ,0)0C x邊界條件是邊界條件是 X=0濃度恒定，與時

9、間無關(guān)濃度恒定，與時間無關(guān)(0, )sCtC( , )0Ct起始條件：起始條件：Cs是是x0處的表面濃度，與時間無關(guān)。處的表面濃度，與時間無關(guān)。邊界條件：邊界條件：X，距離表面很遠(yuǎn)處無雜質(zhì)原子。，距離表面很遠(yuǎn)處無雜質(zhì)原子。符合起始與邊界條件的擴(kuò)散方程式的解是：符合起始與邊界條件的擴(kuò)散方程式的解是：erfc-余誤差函數(shù)余誤差函數(shù) -擴(kuò)散長度擴(kuò)散長度2),(DtxerfcCtxCsDt圖為余誤差函數(shù)分布圖為余誤差函數(shù)分布擴(kuò)散的時間越長雜質(zhì)擴(kuò)散的擴(kuò)散的時間越長雜質(zhì)擴(kuò)散的越深越深有限源擴(kuò)散有限源擴(kuò)散t0時的初始條件時的初始條件C（x，0）0，邊界條件是：說明表面濃度恒定，不，邊界條件是：說明表面濃度恒

10、定，不再有新元補(bǔ)充再有新元補(bǔ)充0( , )C x t dxS(, )0CtS為單位面積摻雜總量。符合上述擴(kuò)散方程的解為：為單位面積摻雜總量。符合上述擴(kuò)散方程的解為：此為高斯分布此為高斯分布在在x0處表面濃度為：處表面濃度為：( )sSCtDt)4exp(),(2DtxDtstxC擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理n在集成電路工藝中，通常熱擴(kuò)散采用三個步驟：在集成電路工藝中，通常熱擴(kuò)散采用三個步驟：預(yù)淀積、推進(jìn)和激活預(yù)淀積、推進(jìn)和激活 （順序不能亂）（順序不能亂）1、預(yù)淀積預(yù)淀積：在恒定表面濃度擴(kuò)散條件下形成預(yù)淀積：在恒定表面濃度擴(kuò)散條件下形成預(yù)淀積層，溫度低、時間短，擴(kuò)散的淺，可以認(rèn)為雜質(zhì)淀層，溫度低、時間短，

11、擴(kuò)散的淺，可以認(rèn)為雜質(zhì)淀積在一薄層（掩蔽氧化層）內(nèi)；以防止雜質(zhì)原子從積在一薄層（掩蔽氧化層）內(nèi)；以防止雜質(zhì)原子從硅中擴(kuò)散出去。硅中擴(kuò)散出去。預(yù)淀積階段表面雜質(zhì)濃度最高，并隨著深度的加大預(yù)淀積階段表面雜質(zhì)濃度最高，并隨著深度的加大而減小。而減小。目的是為了控制雜質(zhì)總量；目的是為了控制雜質(zhì)總量；預(yù)淀積現(xiàn)在普遍被離預(yù)淀積現(xiàn)在普遍被離子注入代替。子注入代替。2.推進(jìn)：推進(jìn)：高溫過程，使淀積的雜質(zhì)穿過晶體，在高溫過程，使淀積的雜質(zhì)穿過晶體，在硅片中形成期望的結(jié)深。硅片中形成期望的結(jié)深。此階段并不向硅片中增加雜質(zhì)，但是高溫下形成的此階段并不向硅片中增加雜質(zhì)，但是高溫下形成的氧化層會影響推進(jìn)過程中雜質(zhì)的擴(kuò)散

12、，這種由硅表氧化層會影響推進(jìn)過程中雜質(zhì)的擴(kuò)散，這種由硅表面氧化引起的雜質(zhì)濃度改變成為再分布。面氧化引起的雜質(zhì)濃度改變成為再分布。3. 激活：激活：使溫度稍微升高，此過程激活了雜質(zhì)使溫度稍微升高，此過程激活了雜質(zhì) 原子。原子。目的是為了控制表面濃度和擴(kuò)散深度。目的是為了控制表面濃度和擴(kuò)散深度。雜質(zhì)移動雜質(zhì)移動n雜質(zhì)只有在成為硅晶格結(jié)構(gòu)的一部分（即被雜質(zhì)只有在成為硅晶格結(jié)構(gòu)的一部分（即被激活激活）后，才可以作為施主和受主。如果雜）后，才可以作為施主和受主。如果雜質(zhì)占據(jù)間隙位置，它就沒有被激活，不會起質(zhì)占據(jù)間隙位置，它就沒有被激活，不會起到雜質(zhì)的作用。到雜質(zhì)的作用。n加熱能使雜質(zhì)移動到正常的晶格上，

13、被稱為加熱能使雜質(zhì)移動到正常的晶格上，被稱為晶格激活。激活發(fā)生在高溫下，是擴(kuò)散的一晶格激活。激活發(fā)生在高溫下，是擴(kuò)散的一部分。部分。對于離子注入來說，晶格激活在退火對于離子注入來說，晶格激活在退火階段完成。階段完成。橫向擴(kuò)散橫向擴(kuò)散n光刻膠無法承受高溫，擴(kuò)散的掩膜是光刻膠無法承受高溫，擴(kuò)散的掩膜是二氧化硅二氧化硅或或氮化硅氮化硅。n熱擴(kuò)散中的橫向擴(kuò)散通常是縱向結(jié)深的熱擴(kuò)散中的橫向擴(kuò)散通常是縱向結(jié)深的75%-85%。6.1.3 6.1.3 擴(kuò)散層測量擴(kuò)散層測量擴(kuò)散工藝的結(jié)構(gòu)可由三種測量方式來評價：擴(kuò)散工藝的結(jié)構(gòu)可由三種測量方式來評價：擴(kuò)散層的結(jié)深、擴(kuò)散層的結(jié)深、薄層電阻與雜質(zhì)分布。薄層電阻與雜質(zhì)

14、分布。下圖是在半導(dǎo)體內(nèi)磨以凹槽并用溶液下圖是在半導(dǎo)體內(nèi)磨以凹槽并用溶液腐蝕去除表面，溶液會使腐蝕去除表面，溶液會使P區(qū)顏色暗，因而描繪出結(jié)深。區(qū)顏色暗，因而描繪出結(jié)深。用磨槽和染色法測量結(jié)深用磨槽和染色法測量結(jié)深若若R0是磨槽所用工具的半徑，則可得結(jié)深：是磨槽所用工具的半徑，則可得結(jié)深：222200jxRbRa如果如果R0遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于a和和b，則，則2202jabxR結(jié)深結(jié)深xj是雜質(zhì)濃度等于襯底濃度是雜質(zhì)濃度等于襯底濃度CB時所在的位置。時所在的位置。()jBC xC如果結(jié)深和如果結(jié)深和CB已知，則只要擴(kuò)散分布遵從已知，則只要擴(kuò)散分布遵從“兩種分布兩種分布”所推導(dǎo)的公式，所推導(dǎo)的公式，表面濃

15、度表面濃度Cs和雜質(zhì)分布就能計算出來。和雜質(zhì)分布就能計算出來。方塊電阻方塊電阻（薄膜電阻薄膜電阻）在擴(kuò)散薄層上取一任意邊長的正方在擴(kuò)散薄層上取一任意邊長的正方形，該正方形沿電流方向所呈現(xiàn)的形，該正方形沿電流方向所呈現(xiàn)的電阻，叫方塊電阻。電阻，叫方塊電阻。方塊電阻的檢測方塊電阻的檢測利用圖中所示電路，將電流表所示電流控制在利用圖中所示電路，將電流表所示電流控制在3毫安以內(nèi)，毫安以內(nèi)，讀出電壓表所示電壓，利用下式計算：讀出電壓表所示電壓，利用下式計算：IVCRS式中常數(shù)式中常數(shù)C是由被測樣品的長度是由被測樣品的長度L、寬度、寬度a、厚度、厚度d，以及，以及探針間距探針間距S來確定，常數(shù)來確定，常數(shù)

16、C可由表查出?？捎杀聿槌?。擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝擴(kuò)散常見的質(zhì)量問題擴(kuò)散常見的質(zhì)量問題(1) 合金點和破壞點：在擴(kuò)散后有時可觀察到擴(kuò)散窗口的硅片表面上有一層白霧合金點和破壞點：在擴(kuò)散后有時可觀察到擴(kuò)散窗口的硅片表面上有一層白霧狀的東西或有些小的突起。狀的東西或有些小的突起。n用顯微鏡觀察時前者是一些黑色的小圓點，小圓點稱為合金點用顯微鏡觀察時前者是一些黑色的小圓點，小圓點稱為合金點;n后者是一些黃亮點、透明的突起，透明突起稱為破壞點。雜質(zhì)在這些缺陷處后者是一些黃亮點、透明的突起，透明突起稱為破壞點。雜質(zhì)在這些缺陷處 的擴(kuò)散速度特別快，造成結(jié)平面不平坦，的擴(kuò)散速度特別快，造成結(jié)平面不平坦，PN結(jié)擊穿。結(jié)擊穿。(2) 表面玻璃層。硼和磷擴(kuò)散之后，往往在硅片表面形成一層硼硅玻璃或磷硅玻表面玻璃層。硼和磷擴(kuò)散之后，往往在硅片表面形成一層硼硅玻璃或磷硅玻 璃，此玻璃層與光刻膠的粘附性極差，光刻腐蝕時容易脫膠或產(chǎn)生鉆蝕，而璃，此玻璃層與光刻膠的粘附性極差，光刻腐蝕時容易脫膠或產(chǎn)生鉆蝕，而 且該玻璃層不易腐蝕。且該玻璃層不易腐蝕。(3) 白霧。這種現(xiàn)象在固一固擴(kuò)散及液態(tài)源磷擴(kuò)散經(jīng)常發(fā)生。主要原因是淀積二白霧。這種現(xiàn)象在固一固擴(kuò)散及液態(tài)源磷擴(kuò)散經(jīng)常發(fā)生。主要原因是淀積二 氧化硅層（含